.Emmanuel Loureiro Garrido

CONCEPÇÃO E CERTIFICAÇÃO  DE NOVA GERAÇÃO DE CANDEEIROS DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA

Tecnologia fotovoltaica

 

Efeito Fotovoltaico

 

 

As células fotovoltaicas têm como princípio de funcionamento o efeito fotovoltaico, descoberto em 1839 pelo físico francês Alexandre Edmond Becquerel [5]. O efeito fotovoltaico explica a conversão de energia luminosa incidente numa junção p-n (célula fotovoltaica) em energia eléctrica.

Segundo os princípios do efeito fotovoltaico, a incidência de fotões na camada n de um material semicondutor fornece energia aos electrões (portadores maioritários) que, quando superior à banda de energia intrínseca do semicondutor (bandgap) que separa as bandas de valência e de condução (cerca de 1eV) [3], provoca a criação de pares electrão-lacuna. O campo eléctrico devido à existência da junção p-n promove a circulação dos electrões pelo circuito de carga [6] (exterior à célula fotovoltaica). A tensão da célula deve-se ao efeito de difusão que ocorre no material. O efeito de difusão e o campo eléctrico devido à junção p-n neutralizam-se de forma a atingir um ponto de equilíbrio, dependente da corrente que circula pela carga.

A recombinação de portadores na junção p-n, responsável pelo aparecimento da corrente de díodo, aumenta com o aumento da tensão externa. A diminuição da diferença de potencial aos terminais da célula, devida a aumento de carga, diminui o campo eléctrico da junção provocando uma difusão mais larga e consequentemente uma diminuição da corrente de díodo (contrária à corrente na carga).

Existem vários factores limitadores do processo de conversão de energia luminosa em energia eléctrica, entre os quais as perdas por:

 

reflexão;

 

não absorção, por energia insuficiente dos fotões (só uma pequena parte do espectro solar é capaz de excitar os electrões);

 

transmissão (não se dá criação do par electrão-lacuna na camada n do semicondutor);

 

cada fotão só poder excitar um electrão pelo que, para fotões com energia superior à “bandgap” existe um desperdício de energia que é transformada em calor.

 

Figura 1 – Efeito fotovoltaico

 

Tecnologias de Conversão

 

As tecnologias de construção de células fotovoltaicas podem dividir-se em três gerações, da seguinte forma:

 

 Primeira geração: Silício cristalino (actualmente representa cerca de 90%        

                               das células disponíveis no mercado).

 

 Segunda geração: Películas finas aplicadas sobre substratos rígidos.

 

 

 Terceira geração: Películas finas aplicadas sobre substratos flexíveis.

 

As células que utilizam a tecnologia de silício cristalino podem ainda ser de dois tipos, silício monocristalino ou policristalino. Em ambos os casos, para o seu fabrico, é necessário obter inicialmente silício com um grau de pureza extremamente elevado (99,999999%). Através de diferentes processos industriais é obtido o silício monocristalino ou policristalino consoante o método de processamento utilizado.

A eficiência das células de sílicio monocristalino encontra-se entre os 13 e os 17% e a das células de silício policristalino situa-se entre os 11 e 14%. Apesar das primeiras apresentarem uma eficiência mais elevada o processamento do silício monocristalino é também mais dispendioso.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As células com tecnologia de películas finas sobre substratos rígidos podem ser de quatro tipos consoante o tipo de material semicondutor utilizado. Os materiais usados neste tipo de células são: o silício amorfo (a-Si), o disseleneto de cobre e índio (CIS), o telureto de cádmio (CdTe) e o arseneto de gálio (GaAs). A eficiência deste tipo de células ronda os 7% para os três primeiros tipos atrás referidos, e os 30% para as células de arseneto de gálio (este tipo de células é utilizado quase exclusivamente em aplicações espaciais devido ao seu custo elevado). Embora o rendimento das células de silício amorfo, disseleneto de cobre e índio, e de telureto de cádmio seja bastante inferior ao das células de silício cristalino este tipo de células apresenta algumas vantagens entre as quais, a menor quantidade de material e energia gasta no seu fabrico que conduz a um preço mais baixo, a menor perda de eficiência a altas temperaturas, o melhor desempenho em condições de baixa radiação e de radiação difusa e a menor sensibilidade aos sombreamentos devido à sua geometria (células longas e estreitas).

As células da denominada terceira geração não existem ainda no mercado, uma vez que se encontram ainda em fase de testes e, portanto, a sua produção industrial ainda não se iniciou. As tecnologias em desenvolvimento neste domínio passam pelo fabrico de: células multi-junção recorrendo a diferentes materiais semicondutores com gaps de energia sucessivamente mais baixos, possibilitando um melhor aproveitamento do espectro de radiação solar (a eficiência deste tipo de células para o caso de tripla junção atingiu já os 40% [4]); células constituídas por matérias orgânicas semicondutoras, como é o caso do dióxido de titânio, aplicadas sobre substratos flexíveis, cujo objectivo é, em geral, imitar o processo de fotossíntese (a eficiência deste tipo de células ronda ainda os 5% [5]); células designadas por termo-fotovoltaicas em que a energia da radiação solar é inicialmente convertida em calor e em seguida convertida em energia eléctrica por uma célula fotovoltaica concebida para operar numa banda de comprimentos de onda térmicos.

 

última actualização: 21-07-2010